Международная Конференция.
«11 Харитоновские Тематические Научные Чтения»,
Саров, 16-20 марта 2009 г.
Ю. Б. БАЗАРОВ1, Ю. К. БАРСУКОВ2, А. И. ЛОГВИНОВ1,2,
Г. Б. КРАСОВСКИЙ2, Е. Е. МЕШКОВ1,2, И. Н.НИКИТИН1,
В. А. СТАРОДУБЦЕВ1, С. В. ЦЫКИН1, О. А. ШИЛОВ1.
1, Саров, Россия
2ФГОУ ВПО «СарФТИ», Саров, Россия
ПАРОВОЙ ВЗРЫВ ТОНКОСТЕННОЙ КАПСУЛЫ С ВОДОЙ
ВВЕДЕНИЕ
Последние десятилетия во всем мире развиваются технологии тушения пожаров диспергированной (распылённой) водой (ДВ) с размерами капель менее ~100 мкм [1-8]. В частности, получают развитие технологии импульсных методов создания облаков ДВ с применением зарядов ВВ [3-8]. Высокая эффективность использования ДВ при тушении пожаров обусловлена ее огромной удельной поверхностью, что позволяет обеспечить быстрое охлаждение горячей зоны пожара за счет быстрого отбора тепла при испарении капель. Вместе с тем имеются принципиальные ограничения в реализации этих методов на практике при тушении реальных, особенно крупномасштабных пожаров. Дело в том, что мелкие капли (с размером менее ~100 мкм) быстро теряют скорость в газовой среде и не могут проникнуть в ядро большого пожара.
Способ тушения пожаров при помощи тонкостенных герметичных капсул с водой диаметром от 5 до 7 мм [9] направлен на решение этой проблемы. Капсулы такого размера могут проникать вглубь большого пожара. В то же время такие капсулы должны по оценкам взрываться в течение нескольких секунд после попадания в пламя с образованием облака смеси пара и ДВ. Это подтверждается экспериментами [10].
Начиная с сентября 2007 г, начата разработка этого способа в рамках проекта МНТЦ № 000. Экспериментальные работы по проекту ведутся в основном на базе научной гидродинамической лаборатории СарФТИ. Исследования процессов тушения пламени при помощи ДВ ведутся в лаборатории с начала XXI века, и, в целом, выходят за рамки работ по проекту МНТЦ № 000.
ПОСТАНОВКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты проводились со сферическими стеклянными капсулами. Типичные размеры капсул, использовавшихся в экспериментах: диаметр капсулы d=7 мм, толщина стенки сферической части капсулы ∆ср=0.2 мм, рис.1. Капсулы изготавливаются стеклодувным способом.
Для регистрации картины течения, возникающего при взрыве капсулы, использовалась скоростная видеокамера GmbH-MotionBLITZ. Картина разлета облака ДВ регистрировалась на фоне полупрозрачного экрана (слой белой ткани), освещенного галогенной лампой. Для повышения контрастности изображения облака ДВ капсулы заполнялись раствором чернил.
Частота съемки камеры составляет 500 кадр/сек, при размере кадра 1024х1280 пкс. Но за счет уменьшения размера кадра эта скорость может быть увеличена до 32000 кадр/сек (данные производителя).
Температура воды в капсуле в процессе нагрева измерялась термопарным методом. Использовались термопары типа хромель/алюмель (или тип К), предназначенные для измерения температур в диапазоне от 0 до +1300°С. Диаметр проволоки 0.2 мм.
Рис.1. Фотография капсул с термопарами.
Термопара типа К– обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 0 до +1300°С, с погрешностью +2.5°С. Диаметр проволоки 0.2 мм. При измерении температуры термопарой типа никель-хром/никель-алюминий (хромель/алюмель) далее (тип К), максимальная суммарная величина погрешности при доверительной вероятности Р=0.95 не превышает +2.5°С.
Параметры облака диспергированной воды измерялись методом рассеяния лазерного излучения. Его сущность состоит в измерении углового распределения рассеянного света с последующим определением размера частиц ДВ по табличным значениям [11].
Для измерения индикатрисы рассеяния света на каплях ДВ использовалась схема, показанная на рис.3. В этой схеме излучение аргонового лазера ЛГН-105М с длиной волны 0.5 мкм и мощностью 1 Вт концентрировалось линзой с фокусным расстоянием 50 см в точку измерения. После взрыва капсулы облако ДВ, расширяясь, проходит через точку измерения. В момент прохождения облака ДВ через точку измерения происходит рассеяния лазерного света. 3 фотоумножителя (далее ФЭУ), расположенные в горизонтальной плоскости на одинаковом расстоянии от точки измерения, но под разными углами (рис.3), регистрируют рассеянный свет. Далее рассчитываются отношения сигналов, рассеянных под разными углами. ФЭУ были помещены в светонепроницаемые корпуса, перед их фотоприемной частью помещались светофильтры из цветного стекла, пропускающие только рассеянное лазерное излучение. Предварительно относительная чувствительность ФЭУ была калибрована при помощи обычной лампы накаливания, расположенной от них на расстоянии 1 м.
1-зондирующее излучение (аргоновый лазер ЛГН-105М); 2-капсула с водой;
3-коллиматор; K1-K3-ФЭУ R3788.
Рис.3. Схема измерений (вид сверху).
Для локализация точки измерения в направлении вдоль лазерного луча и устранения эффектов перерассеянния на пути ДВ располагался коллиматор шириной ~1 мм (рис.3).
Рис.4. Зависимость отношений сигналов ФЭУ (K1/K3) от времени в опыте со сферической капсулой. Расстояние от капсулы до коллиматора 40 мм.
На рис.4 приведена типичная зависимость отношений сигналов ФЭУ (K1/K3) от времени. Время нарастания фронта сигнала по уровню 0.1-0.9 составило величину 5±1 мкс (данные усреднены по 4 опытам). Средний размер капель воды, определенный по этим измерениям, составляет на фронте облака ДВ величину 0.28-0.40 мкм.
На рис.5 приведена схема постановки опытов, в которых регистрировалась интегральная картина разлета облака ДВ при паровом взрыве сферической капсулы. Сферическая капсула подвешивалась при помощи пинцета, закрепленного горизонтально на штативе. Капсула нагревалась пламенем газовой горелки.
Рис.5. Фотография общего вида постановки опыта.
На рис.6 приведены кадры видеограмм двух опытов (№1 и №3).
б)
а)
1
1
2
Рис.6. Видеограммы разлёта облака диспергированной воды.
Облако ДВ, образующегося при паровом взрыве капсул, имеет характерный диаметр ядра ~10-12 см. В то же время отдельные «языки», вырывающиеся из ядра, достигают величины порядка 10 см и более.
Результат измерения температуры воды в капсуле в процессе ее нагрева до парового взрыва приведены на рис.7. Здесь же приводятся времена задержки взрыва от начала нагрева (моменты времени 5.8 и 3.9 с). После парового взрыва и гашения газовой горелки облаком ДВ происходит резкое снижение температуры.
Твзрыва = 262,20С
Рис.7. Зависимость от времени температуры воды в капсуле в процессе нагрева.
В таб. 1 приведены результаты экспериментов со сферическими капсулами. Здесь приведены № капсул, диаметр d, средняя толщина стенки сферической части капсулы ∆ср, минимальная и максимальная толщины стенки ∆min и ∆max, разнотолщинность капсулы δ∆ и температура, при которой произошел паровой взрыв капсулы, Tвзрыва. (Толщина стенки капсулы определялась оптическим методом).
Таб. 1. Результаты измерений температуры взрыва в опытах со сферическими стеклянными капсулами
№ капсулы
d, мм
∆ср, мм
∆min, мм
∆max, мм
δ∆, мм
Tвзрыва, °С
74
6.94
0.23
0.19
0.3
0.11
119
76
6.89
0.22
0.16
0.32
0.16
107
80
7.11
0.2
0.15
0.28
0.13
106
83
6.8
0.19
0.16
0.23
0.07
262
39
7
0.25
0.2
0.33
0.11
210
62
7
0.36
0.27
0.5
0.23
239
56
7
0.33
0.24
0.43
0.19
267
64
7
0.23
0.18
0.35
0.17
214
53
7
0.33
0.26
0.40
0.14
204
55
7
0.30
0.18
0.5
0.32
121
50
7
0.17
0.13
0.2
0.07
210
60
7
0.24
0.17
0.39
0.12
204
69
7
0.26
0.22
0.32
0.1
253
44
7
0.25
0.1
0.47
0.37
214
41
7
0.27
0,.21
0.36
0.15
196
ТЕОРИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
1. , , и др. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность // Справочное издание // М., Химия, 1987, 272с.
2. Повзик тактика. М.: , 1999, с.39.
3. Корольченко импульсного водяного пожаротушения IFEX 3000 // Пожаровзрывобезопасность. 2001, №2, с.3-5.
4. , Кожемякин импульсные устройства и автоматические системы пожаровзрывозащиты радиационно зараженных объектов // Пожаровзрывобезопасность. 1999, №5,с.69-72.
5. , , Щербак техника многоплановой защиты. // Пожаровзрывобезопасность, №3, 2000, с. 46-49.
6. , , Щербак методы и техника для тушения пожаров в небоскребах. // Пожаровзрывобезопасность. №1, 2002, с.67-74.
7. Rosenstock // Process and device for fighting fires from the air. Patent №W, с. 67-74.
8. McKinney R. A., Walters J. C., Williams B. W., Luther E. R. Fire extinguisher. Patent US №US5881819
9. Цыкин Тушения пожара. Патент РФ № 2 2005г МПК А62С 3/00; А62С 19/00.
10. , , Цыкин метод исследования парового взрыва капсулы с водой при помощи цифровой видеокамеры // Оптические методы исследования потоков №9, 2007, с. 72-73
11. Г. Ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами. ИЛ., М., 1961.
